Observación Astronómica

Tema 2b:
telescopios ópticos
Consultar: “Observational astronomy”, BGO06, “Astronomical optics”, S99.
“Astrophysical techniques”, K08.
1
TELESCOPIOS ÓPTICOS
Primera parte (tema 2a)
• Descripción esquemática de un telescopio.
• Escala de placa. Relación focal. Resolución. Aberraciones.
Magnitud límite visual.
• Telescopios refractores.
• Telescopios reflectores. Cassegrain. Cámara Schmidt.
• Monturas y estructuras.
• Focos. Espejos
Segunda parte (tema 2b)
• Protección de Telescopios
• Telescopios de gran objetivo.
• Espejos delgados. Óptica activa.
• Segmentación. Telescopios múltiples.
• Óptica adaptativa.
• Telescopios enormes.
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PROTECCIÓN DE TELESCOPIOS (1)
Los telescopios deben protegerse de las
inclemencias del tiempo.
Tradicionalmente se han utilizado cúpulas que
permiten observar a través de aberturas.
Las protecciones deben mantener al telescopio
e instrumentación a temperaturas próximas a
las del aire exterior.
Edificio y cúpula del
Telescopio William Herschell
de 4.2 m (La Palma)
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PROTECCIÓN DE TELESCOPIOS (2)
Problemas de convección térmica
en una cúpula clásica no ventilada.
Idem cúpula clásica ventilada.
‘Enclosure seeing’
ATST Report #0004
by Nathan E. Dalrymple
http://atst.nso.edu/files/docs/RPT-0004.pdf
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PROTECCIÓN DE TELESCOPIOS (3)
Una solución intermedia es abrir
ventanas de ventilación en las cúpulas
Cúpula de Gemini con aberturas laterales de 10m.
Test en un túnel de agua
de un modelo descartado
de cúpula para Gemini.
Water Tunnel Tests on Enclosure Concepts
by Woon-yin Wong and Fred Forbes
Gemini Technical Report No. 1 (1991)
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http://www.gemini.edu/
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PROTECCIÓN DE TELESCOPIOS (4)
Las cúpulas (y la instrumentación de su
interior) generan turbulencia por lo
que la protección ideal es la que deja
el telescopio completamente al aire para
evitar corrientes convectivas en su interior.
Cúpula de JMU Liverpool Telescope
http://telescope.livjm.ac.uk/
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PROTECCIÓN DE TELESCOPIOS (5)
Visita: Telescope Domes by Louis Desroches
http://astro.berkeley.edu/~louis/astro250/domes.pdf
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PROTECCIÓN DE TELESCOPIOS (5)
GTC @ ORM
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GRANDES TELESCOPIOS
-
PARÁMETROS:
Tamaño:
el área del objetivo del telescopio está directamente
relacionada con su capacidad colectora de fotones.
Calidad óptica: no sólo se pretende recolectar fotones.
Monturas:
para apuntado y guiado.
Coste
TELESCOPIOS CLÁSICOS:
- Primario rígido (monolítico).
- Pulido convencional.
- Monturas y tubos rígidos.
(Ecuatoriales, más tarde acimutales).
Se pretende que los telescopios profesionales dedicados al estudio de
objetos celestes aparentemente débiles sean no sólo de gran tamaño
sino también con buena calidad de imagen.
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GRANDES TELESCOPIOS
AVANCES EN TAMAÑO:
- No se puede hacer un espejo monolítico tan grande como se quiera.
4m
16 m
La masa (el volumen) crece con el cubo del
tamaño.
D= 4 x D0
A= 42 x A0
M= 43 x M0
El espejo resulta x16 menos rígido y se quiebra de igual manera
que una araña gigante no puede sostenerse sobre sus patas.
Supongamos un disco de grosor h y diámetro D
h
D
h3
Rigidez  2
D
D4
Flexibilid ad  2
h
Con detalle en: http://grus.berkeley.edu/~jrg/CELT/ay250.html
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GRANDES TELESCOPIOS
SOLUCIONES para aligerar peso:
- Panal de abeja (honeycomb)
- Espejos delgados (meniscos)
SEGMENTACIÓN
Directa: espejo compuesto
de segmentos
(Keck, GTC)
Indirecta: varios telescopios
-En una misma montura
(LBT)
-Red
de
telescopios
(ESO VLT)
Soluciones de segmentación
Fig 3.4 R.N. Wilson
Reflecting Telescope Optics
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SEGMENTACIÓN INDIRECTA (1)
LARGE BINOCULAR TELESCOPE
http://medusa.as.arizona.edu/lbto/optics.html
Espejo en panal de abeja (LBT 8.4 m)
Steward Observatory Mirror Lab
http://mirrorlab.as.arizona.edu/
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SEGMENTACIÓN INDIRECTA (2)
Varios espejos de tamaño relativamente pequeño proporcionan
un área colectora grande
MMT actual con un solo espejo
http://www.mmto.org/
Multimirror Telescope (MMT)
original con 6 espejos
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SEGMENTACIÓN INDIRECTA (3)
Varios telescopios se usan simultáneamente
para proporcionar un área colectora grande.
VLT de ESO:
4 telescopios de 8m ≈ 1 telescopio de 16 m
8-m VLT UT1-ANTU
http://www.eso.org/paranal/
Más info en VLT whitebook
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SEGMENTACIÓN DIRECTA: KECK
Esquema del telescopio Keck (I y II)
donde se aprecia el espejo segmentado
ILLUSTRATION BY TOM CONNELL/WILDLIFE
ART LTD. FROM THE READER’S DIGEST
“ATLAS OF THE UNIVERSE”
© 2000 WELDON OWEN INC
El primario de 36 segmentos de 1.8 m equivale
a un objetivo de 10 m de diámetro.
http://www.keckobservatory.org/
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SEGMENTACIÓN DIRECTA: GTC
Esquema del GTC (10 m)
26m
325 Tm
36 segmentos hexagonales de
936 mm de lado y 80 mm de grosor.
Webcam
28m
http://www.gtc.iac.es/
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GEMINI
Gemini North
(Mauna Kea, Hawai)
Gemini South
(Cerro Pachón, Chile)
2 telescopios gemelos de 8m
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HOBBY-EBERLY
91 espejos esféricos de f=26 m
(forma hexagonal 1m) Apertura efectiva 9.2 m
Necesita alinear los espejos.
La montura sólo se mueve en acimut.
Apunta en altura desplazando
el foco.
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AREA COLECTORA DE GRANDES TELESCOPIOS
GTC
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ÓPTICA ACTIVA (1)
PROBLEMA:
SOLUCIÓN:
Los espejos delgados necesitan sujeción para
mantener la forma.
Colocar actuadores bajo el espejo.
El espejo de 8.2m de Subaru
(22.8 Tm, 20 cm espesor)
se mantiene en su forma adecuada
gracias a 261 actuadores robóticos
http://www.naoj.org/Introduction/tech.html
Los actuadores se componen de sensores y motores (piezoeléctricos).
Se analiza la imagen cada cierto tiempo (~30 min) y se corrige la forma
del primario y el alineamiento del secundario para mejorarla.
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ÓPTICA ACTIVA (2)
Soportes activos (150) del espejo
primario del VLT 8.2 m,
17 cm de espesor, 22 Tm
http://www.eso.org/outreach/press-rel/pr-1999/phot-34-99.html
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ÓPTICA ACTIVA (3)
La óptica activa se emplea también
en espejos segmentados y no sólo
con meniscos (espejos delgados)
Link Vídeo
óptica activa GTC
Óptica activa en GTC
Sensor
Posicionador
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ÓPTICA ACTIVA (4)
TMT Concept of segment support
Segment
Whiffle Tree
Moving Frame
Mirror Cell
Truss
Actuator
Actuator
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ÓPTICA ADAPTATIVA (1)
PROBLEMA:
La turbulencia atmosférica limita la resolución de los
telescopios terrestres al valor del seeing.
telescopio fuera de la atmósfera:
La imagen de una estrella ->
resolución teórica: disco de Airy
Resolución
~1”
Resolución
0.05”
telescopio terrestre:
resolución real: disco de seeing
La óptica adaptativa pretende medir y compensar los efectos de la
turbulencia en tiempo real. La resolución se aproxima a la teórica.
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ÓPTICA ADAPTATIVA (2)
Se analiza el frente de onda y
se deforma un espejo para corregir
en tiempo real (~100 veces/s)
0.34”
0.04”
Recomendado:
Introduction to Adaptive Optics
James R. Graham's
http://grus.berkeley.edu/~jrg/chabot/slidemaster.html
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Imagen de una estrella en el
IR próximo sin y con AO
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ÓPTICA ADAPTATIVA (3)
Sistema de óptica adaptativa (AO) básico
– Sensor del frente de onda (WFS)
– Espejo deformable (DM)
– Sistema de lazo cerrado (closed loop control)
Gemini AO animation
ESO AO animation
http://www.tmt.org/news/ao-animation.mov
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ÓPTICA ADAPTATIVA (4)
Sensor de frente de onda (WFS) Shack-Hartmann
Mide las pendientes locales del frente de onda en subaperturas (lenslets) del
tamaño del parámetro de Fried (r0) para corregir el frente de ondas distorsionado.
Imágenes obtenidas por un sensor
Shack-Hartmann (8x8 lenslet) .
(WHT, La Palma JOSE Camera).
Adaptive optics tutorial at CTIO by Andrei A. Tokovinin
http://www.ctio.noao.edu/~atokovin/tutorial/intro.html
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http://www.ast.cam.ac.uk/~optics/
Lucky_Web_Site/
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ÓPTICA ADAPTATIVA (5)
Para tener suficiente señal se analiza la luz de una estrella brillante cercana.
La estrella guía debe estar cerca y además ser brillante.
 estrellas artificiales generadas por láser.
Diferencias espaciales
de la distorsión
http://athene.as.arizona.edu/~lclose/talks/
SPIE02/tip_tilt_aniso.mpg
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ÓPTICA ADAPTATIVA (6)
A525: Optical, Infrared and Sub-mm Astronomical Techniques by Gordon Stacey
http://astrosun2.astro.cornell.edu/academics/courses/a525/
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ÓPTICA ADAPTATIVA (7)
Palomar seeing parameters
A525: Optical, Infrared and Sub-mm Astronomical Techniques by Gordon Stacey
http://astrosun2.astro.cornell.edu/academics/courses/a525/
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ÓPTICA ADAPTATIVA (8a)
Razón de Strehl (Strehl ratio):
Intensidad máxima de la PSF del sistema real
dividida entre la correspondiente a un sistema óptico
ideal (es decir sin el efecto de la atmósfera). Por
convenio, 0.8 Strehl (80%) corresponde a un
sistemás óptico limitado por difracción.
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ÓPTICA ADAPTATIVA (8b)
http://keckobservatory.org/news/laser_guide_star_available_for_adaptive_optics/
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ÓPTICA ADAPTATIVA (9)
Siguiente paso en óptica adaptativa:
correcciones en el secundario.
Espejo secundario
deformable en MMT.
ASTRO 519: ADAPTIVE OPTICS by Laird Close (Steward Observatory)
http://athene.as.arizona.edu/~lclose/talks/SPIE02/a519.html
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LUCKY IMAGING
http://www.ast.cam.ac.uk/research/lucky
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TELESCOPIOS ESPACIALES
-
-
PRO:
Fuera de la atmósfera:
no hay extinción, no hay turbulencia,
X, Gamma, UV, IR accesibles.
CONTRA:
Misiones mucho más caras.
Condiciones extremas: se necesitan materiales
especiales (tecnología espacial).
Mantenimiento y operación complicada.
Vida útil limitada por los fungibles.
http://www.galex.caltech.edu/
http://spitzer.caltech.edu/
http://www.stsci.edu/hst/
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TELESCOPIOS ENORMES (1)
Los mayores telescopios de la actualidad tienen espejos de 10m
que permiten, corrigiendo los efectos de la atmósfera, alcanzar
resoluciones mejores que las del HST.
Los astrónomos piensan ya en telescopios 10x más grandes
que se han empezado a diseñar.
Estudios en marcha de ELTs:
• ESO 100m OverWhelming Large Telescope (OWL)
• European 50m Telescope (Euro50)
THE EUROPEAN EXTREMELY LARGE TELESCOPE ("E-ELT”, 42m)
• Giant Magellan Telescope, GMT 21.4m
• Thirty-Meter Telescope, TMT 30m
formerly the The California Extremely Large Telescope (CELT)
Canadian Very Large Optical Telescope (VLOT)
American Giant Segmented Mirror Telescope (GSMT)
Japanese ELT project (JELT)
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TELESCOPIOS ENORMES (2)
http://www.eso.org/projects/owl/
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TELESCOPIOS ENORMES (3)
7 segmentos (6 fuera de eje) de 8.4m
1 espejo terminado
Resolución como D=24.5 m
Abertura como D=21.4 m (f/0.7)
Las Campanas
2018?
Espejos honeycomb de borosilicato similares
a los de Magellan, MMT y LBT. http://www.gmto.org/
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TELESCOPIOS ENORMES (4)
Mauna Kea, 2018?
1,500 M$
Siguiendo los conceptos del proyecto
Giant Segmented Mirror Telescope (GSMT)
http://www.gsmt.noao.edu/book/
http://www.tmt.org/
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TELESCOPIOS ENORMES (5)
738 espejos de 1.2m de diámetro (segmentos hexagonales)
de 0.045m de espesor. Abertura equivalente a D=30 m
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TELESCOPIOS ENORMES (6)
ESO E-ELT
http://www.eso.org/projects/e-elt/
Cerro Armazones, 2018?
1,000 M€
5500 Tm masa rotante
42-m diámetro
(906 segmentos x 1.45m)
5 espejos (primario + 4)
6 m secondary mirror
4.2 tertiary mirror
2.5 m (5000 actuators)
2.7 m
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ÓPTICA ADAPTATIVA PARA LTs: MOAO y MCAO
MOAO: Multi-Object Adaptive Optics.
MCAO: Multi-Conjugate Adaptive Optics.
http://www.davincisworld.com/
Light/AOtutorial/mcao.htm
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Resumen de contenidos
Protección de telecopios, influencia en las observaciones.
Grandes telescopios: ventajas y problemas que implican.
Óptica activa.
Óptica adaptativa.
Telescopios enormes: ventajas y problemas que implican.
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